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Aug 02, 2023

Por primera vez, el acero inoxidable se puede imprimir en 3D manteniendo sus características

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Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), la Universidad de Wisconsin-Madison y el Laboratorio Nacional de Argonne han producido composiciones particulares de acero 17-4. Cuando se imprimen, coinciden con las propiedades de la versión fabricada convencionalmente.

Los resultados de la investigación se publicaron en la edición de noviembre de Additive Manufacturing. Utilizaron rayos X de alta energía de un acelerador de partículas para adquirir los datos.

La fuerza y ​​la resistencia son cruciales para las plantas de energía nuclear, los buques de carga, los aviones y otras tecnologías clave, dice el NIST. Por esta razón, muchos están hechos de acero inoxidable extraordinariamente duradero de aleación 17-4 endurecido por precipitación (PH). Por primera vez, el acero 17-4 PH ahora se puede imprimir en 3D de manera confiable mientras mantiene sus propiedades beneficiosas.

Las últimas investigaciones podrían hacer que la impresión 3D sea más rentable y flexible para los fabricantes de artículos de 17-4 PH. El método utilizado para investigar la sustancia en este estudio también puede sentar las bases para una mejor comprensión de cómo imprimir varias sustancias y pronosticar sus cualidades y rendimiento.

"Cuando piensas en la fabricación aditiva de metales, esencialmente estamos soldando millones de diminutas partículas en polvo en una sola pieza con una fuente de alta potencia como un láser, fundiéndolas en un líquido y enfriándolas en un sólido", dijo el físico del NIST. Fan Zhang, coautor del estudio.

"Pero la tasa de enfriamiento es alta, a veces superior a un millón de grados Celsius por segundo, y esta condición de falta de equilibrio extrema crea una serie de desafíos de medición extraordinarios".

Los investigadores comenzaron a explorar qué podían hacer para comprender qué sucede durante los cambios rápidos de temperatura y orientar la estructura interior hacia la martensita.

Para examinar los cambios estructurales rápidos que tienen lugar en milisegundos, los investigadores necesitaban herramientas especializadas. Descubrieron que la difracción de rayos X sincrotrón, o XRD, es la técnica ideal para ello.

"En XRD, los rayos X interactúan con un material y forman una señal que es como una huella dactilar correspondiente a la estructura cristalina específica del material", dijo Lianyi Chen, profesora de ingeniería mecánica en UW-Madison y coautora del estudio.

Fan Zhang et al.

Los autores pudieron afinar la composición del acero para encontrar un conjunto de composiciones que consisten solo en hierro, níquel, cobre, niobio y cromo que funcionaron porque ahora tenían una buena comprensión de la dinámica estructural durante la impresión como referencia. .

"El control de la composición es verdaderamente la clave para las aleaciones de impresión 3D. Al controlar la composición, podemos controlar cómo se solidifica. También demostramos que, en una amplia gama de velocidades de enfriamiento, digamos entre 1000 y 10 millones de grados Celsius por segundo , nuestras composiciones dan como resultado consistentemente acero 17-4 PH completamente martensítico", dijo Zhang.

El trabajo reciente también podría ser influyente más allá del acero 17-4 PH. La información obtenida del método basado en XRD podría usarse para desarrollar y probar modelos informáticos destinados a pronosticar la calidad de los artículos impresos, además de optimizar otras aleaciones para la impresión 3D.

"Nuestro 17-4 es confiable y reproducible, lo que reduce la barrera para el uso comercial. Si siguen esta composición, los fabricantes deberían poder imprimir estructuras 17-4 que son tan buenas como las piezas fabricadas convencionalmente", dijo Chen.

Abstracto:

Las tecnologías de fabricación aditiva basadas en la fusión permiten la fabricación de piezas geométrica y compositivamente complejas que no se pueden lograr con los métodos de fabricación convencionales. Sin embargo, las condiciones de calentamiento/enfriamiento no uniformes y alejadas del equilibrio plantean un desafío significativo para obtener de manera consistente las fases deseables en las piezas impresas. Aquí informamos un desarrollo de acero inoxidable martensítico guiado por la dinámica de transformación de fase revelada por difracción de rayos X de alta velocidad, alta energía y alta resolución in situ. Este acero inoxidable desarrollado forma constantemente la estructura totalmente martensítica deseada en una amplia gama de velocidades de enfriamiento (102–107 ℃/s), lo que permite la impresión directa de piezas con una estructura totalmente martensítica. El material impreso exhibe un límite elástico de 1157 ± 23 MPa, comparable a su contraparte forjada después del tratamiento térmico de endurecimiento por precipitación. La propiedad de impresión se atribuye a la estructura totalmente martensítica y a los finos precipitados formados durante el tratamiento térmico intrínseco en la fabricación aditiva. La estrategia de desarrollo de aleaciones guiada por la dinámica de transformación de fase que se muestra aquí abre el camino para desarrollar aleaciones confiables y de alto rendimiento específicas para la fabricación aditiva.